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05.12.2003 - 

UMTS/Probleme beim Handover von UMTS auf GSM

Hindernislauf zwischen Funkzellen

Technisch gesehen sind GSM und dessen Nachfolger UMTS zwei Paar Stiefel. Da beide Netzinfrastrukturen aber miteinander kommunizieren müssen, ist ein reibungsloser Handover unerlässlich. Erst wenn diese technische Hürde genommen ist, kann der kommerzielle UMTS-Betrieb starten.Von Matthias Weber*

UMTS steht für Universal Mobile Telecommunications System und wurde ursprünglich vom europäischen Standardisierungsgremium ETSI spezifiziert. Mittlerweile findet die Standardisierungstätigkeit jedoch auf globaler Ebene statt. Interessant ist, dass die Spezifizierung bereits Anfang der 90er Jahre begonnen hat, als der augenblicklich dominierende Standard GSM noch in den Kinderschuhen steckte. Schon damals haben die Visionäre des Mobilfunks an einen immer größer werdenden Datenverkehr geglaubt und deshalb ein Verfahren entwickelt, das für Teilnehmer in Bewegung eine Transferrate von 384 Kbit/s und unbewegt bis zu 2 Mbit/s erreichen soll.

UMTS definiert, ähnlich wie GSM, nicht nur die Luftschnittstelle, also die Übertragung von der Basisstation (dem Mobilfunknetz) zum mobilen Telefon, sondern auch das gesamte Netz. Die Übertragung zwischen Basisstation und Handy findet mit Hilfe der Technologie Wideband Code Division Multiple Access (WCDMA) statt.

Die CDMA-Technologie stammt schon aus den 40er Jahren und hat inzwischen große Popularität gewonnen. Bei CDMA, das der derzeitigen Mobilfunktechnik GSM zugrunde liegt, werden nun einzelnen Teilnehmern unterschiedliche Codes zugewiesen. Diese Codes codieren und senden die übertragenen Signale. Dabei senden und empfangen alle Telefone auf der gleichen Frequenz. Um ein fehlerfreies Empfangen und dann auch Decodieren überhaupt zu ermöglichen, müssen die Codes zueinander orthogonal sein, dürfen also keine statistische Gemeinsamkeit haben. Das heißt, nur wenn ein Telefon oder eine Basisstation den richtigen Code hat, kann das ursprüngliche Signal richtig empfangen werden. Wird ein falscher Code verwendet, empfängt man nur Rauschen.

Komplizierte Frequenzplanung

Da sich bei UMTS die gleiche Frequenz in jeder Zelle wiederholen kann, ist deren Koordination sehr einfach, ganz im Gegensatz zu GSM. Hier muss eine genaue Frequenzplanung stattfinden, da die gleiche Frequenz in benachbarten Zellen zu Störungen (Interferenzen) führen kann. Deshalb werden Zellen zu so genannten Clustern zusammengefasst, innerhalb derer sich eine Frequenz nicht wiederholen darf.

UMTS kann für die Aufteilung der Übertragung vom Handy zum Netz und umgekehrt zwei unterschiedliche Duplexverfahren nutzen. Dabei handelt es sich zum einen um das Frequenzduplex-Verfahren (FDD = Frequency Division Duplex), das unterschiedliche Frequenzen für den Weg vom Handy zur Basisstation und zurück verwendet. Außerdem ist UMTS für das Zeitduplex-Verfahren (TDD = Time Division Duplex) ausgelegt, das die gleiche Frequenz für den Weg vom Handy zur Basisstation und zurück nutzt. Im Augenblick findet die Implementierung ausschließlich für das Frequenzduplex-Verfahren statt. Das schnellere Zeitmultiplex-Prinzip soll später eingeführt werden. Die maximale Datenrate für das FDD-Verfahren beträgt 384 Kbit/s, die für TDD 2048 Kbit/s.

Wie jede Einführung eines neuen Standards bereitet auch die von UMTS Schwierigkeiten. UMTS ist ein technisch sehr anspruchvoller Mobilfunkstandard, dessen Spezifikationen 1999 als "Release 99" eingefroren wurden. Seit diesem Zeitpunkt laufen intensive Tests zur Fehlerbeseitigung im Standard, der unterdessen kontinuierlich weiterentwickelt wurde.

Netze sprechen unterschiedliche Dialekte

Neue Funktionen haben in nachfolgenden Releases Einzug gehalten, allerdings folgen die derzeit im Aufbau befindlichen Netze in der Regel dem Standard "Release 99". Einige Netzbetreiber wollen aber zum Teil schon Funktionen aus nachfolgenden Releases verwenden, so dass Netze mit unterschiedlichen Dialekten entstehen. Außerdem sind viele Funktionen optional, was den Integrations- und Testaufwand erhöht. All dies hat zu der Verzögerung von eineinhalb bis zwei Jahren beigetragen. Allerdings werden jetzt immer mehr UMTS-Telefone angekündigt und den Netzbetreibern zu Testzwecken zur Verfügung gestellt.

Der größte Aufwand, der für die UMTS-Infrastruktur geleistet werden muss, liegt im Aufbau der Basisstationen und deren Controllern. Die sind erforderlich, weil sie sich stark von den bisherigen GSM- beziehungsweise GPRS-Basisstationen (General Packet Radio Service) unterscheiden, hauptsächlich wegen der unterschiedlichen Frequenzen und Übertragungsmethode. Da das Kernnetz (Core Network) von UMTS auf einem GSM/GPRS- Netz basiert, ergeben sich für das Kernnetz weniger UMTS-spezifische Änderungen, vorausgesetzt, ein GSM/GPRS-Netz existiert bereits.

UMTS-Inseln im Meer der GSM-Zellen

GPRS wurde in der Vergangenheit nicht nur aufgrund der höheren Datenraten und der Möglichkeit, neue Applikationen zu testen, sondern auch wegen der Infrastruktur bereits als gute Vorbereitung der Netzbetreiber auf UMTS gesehen. Der grundlegende Wandel der Mobilfunkinfrastruktur resultiert aus der Einführung von GPRS. Hier wurde das erste Mal von einer leitungsvermittelten auf eine rein paketvermittelte Struktur via GPRS übergegangen.

Doch wie funktioniert der reibungslose Übergang zwischen UMTS-Zellen und vor allem der reibungslose Handover zwischen UMTS- und GSM-Netzen und umgekehrt? Für den Endanwender ist vor allem von Interesse, dass die Zellenwechsel innerhalb von UMTS klappen und wie solche Zellwechsel am Übergang von einer UMTS- auf eine GSM-Zelle stattfinden. Dies ist ein sehr wichtiges Merkmal, da zumindest zu Beginn UMTS-Zellen noch wie Inseln in einem Meer von GSM-Zellen sein werden.

Der Zellwechsel innerhalb eines UMTS-Netzes ist relativ einfach, da benachbarte Zellen in der Regel auf der gleichen Frequenz senden. Das Telefon registriert, dass die Empfangsqualität schlechter wird, und bekommt den Auftrag, mit einem bestimmten Code das Signal einer benachbarten Zelle zu decodieren. Das heißt, dass das Telefon gleichzeitig die Signale von zwei Basisstationen empfängt und auch auswertet. Verlässt das Telefon die erste Zelle, wird die Verbindung dieser aufgegeben, und die Kommunikation findet nun ausschließlich über die zweite Basisstation statt.

Viele Hürden sind gemeistert

Da während dieses Handover-Typs ein Kontakt zu zwei und mehr Basisstationen aufrechterhalten wird, wird diese Art des Handovers auch Soft Handover, also sanfter Zellwechsel genannt. Anders funktioniert der Handover beim Übergang vom UMTS- auf ein GSM-Netz. Hier muss die Frequenz gewechselt werden und ändern sich die Modulationsart und die Codierung. Deshalb wird ein solcher Handover auch als Hard Handover bezeichnet. Da UMTS am Anfang allenfalls eine Insellösung darstellt, müssen die Telefone dem auch Rechnung tragen. So werden erste Telefone nicht nur den UMTS-Standard unterstützen, sondern auch GSM-Funktionalität mit an Bord haben.

Der Vergleich von UMTS- und GSM-Technologie macht klar, dass UMTS eine Herausforderung an die Technik darstellt. Trotz dieser hohen Hürden sind die Herausforderungen in weiten Teilen schon gemeistert. Es kann also mit einer baldigen kommerziellen Nutzung gerechnet werden. Außerdem wird die Entwicklung im Mobilfunk hin zu höheren Datenraten fortschreiten. (pg)

*Matthias Weber ist Product Marketing Manager bei der Willtek Communications GmbH in Ismaning bei München.

Angeklickt

Bei der Einführung von UMTS gibt es technische Probleme, weil

- die Standardgremien das "Release 99" ständig mit neuen Spezifikationen nachbessern und damit Netzbetreiber und Endgerätehersteller in Schwierigkeiten bringen,

- GSM im Gegensatz zu UMTS in der Nachbarzelle nicht mit der gleichen Frequenz arbeiten kann und deshalb der Handover von GSM zu UMTS und umgekehrt Probleme bereitet und

- UMTS eine andere Infrastruktur für Basisstationen und Controller benötigt.

Abb: Zusammenspiel der Mobilfunknetze

Die Grafik zeigt die Kombination aus GSM/GPRS- und UMTS-Netzen. Auf der GSM-Seite sind die Base Transceiver Station (BTS) und die Base Station Controller (BSC) angesiedelt, die zusammen das Base Station Subsystem (BSS) bilden, über das GSM- und GPRS-Signale übertragen werden. Ab hier trennen sich jedoch die Wege von GSM und GPRS. Die GSM-Signale gehen über das Mobile Services Switching Center (MSC) in das leitungsvermittelte Netz (GSM Core Network) und dann weiter in das ISDN-Netz. Die GPRS-Signale werden über die Packet Control Unit (PCU) in das paketvermittelte Netz übertragen. Das UMTS-Netz verwendet in den Basisstationen (Node B) und Controllern (RNC = Radio Network Controller) neue Komponenten, die sich zum Universal Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) zusammenfassen lassen. Von dort findet der Übergang in das paketvermittelte Netz statt, das bereits für GPRS aufgebaut wurde. Allerdings existieren nach wie vor Verbindungen in das leitungsvermittelte GSM-Kernnetz, das für Sprachübertragung verwendet wird. Außerdem werden einzelne Register innerhalb der Mobilfunknetze gemeinsam genutzt, zum Beispiel das Equipment Identity Register (EIR), das SMS Service Center (SMS-SC), das Home und das Visitor Location Register (HLR und VLR) sowie Autentication Center (AuC). Der Trend der Zukunft ist eindeutig: Die Kernnetze werden auf eine komplette "All-IP"-Struktur umgestellt. Quelle: GSM Core Network